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杨金虎教授课题组低应力高性能电池材料研究取得系列进展
发表时间:2018-04-23 阅读次数:488次

      当前快速发展的移动电子设备、电动汽车产业和未来智能电网战略,要求发展高性能电池技术作为支撑。然而,电池在充放电过程中,电极材料会产生巨大体变化和结构应力,导致电极材料严重粉碎,造成材料内部、材料与电极之间失去电接触,引起电池性能的全面劣化。针对上述问题,我校化学科学与工程学院杨金虎教授课题组近期通过合理的电极结构设计,发展了一系列低应力、结构稳定的高性能电极材料,实现了电池性能的显著提升。系列研究成果分别发表在国际能源期刊《Advanced Energy Materials》、《Nano Energy》和Cell Press旗下的期刊《iScience》上。
      在不久前提出单组份电极材料在纳米尺度上的多壳层协同结构保持和应力缓解机制(Advanced Materials, 2017, 29, 1701494)的基础上,该课题组进而提出了原子尺度的应力缓解策略。利用课题组之前发展的定点取代方法(ACS Nano, 2016, 10, 7882-7891),研究人员利用Si原子定点取代Zn2GeO4 (ZGO)纳米线中的Ge原子,成功合成了Zn2(GeO4)0.8(SiO4)0.2 (ZGSO)纳米线,所合成的ZGSO作为锂离子电池负极材料时,展现出了较高的比容量和突出的长循环性能。通过非原位XPS分析和密度泛函理论(DFT)嵌锂应力计算,发现Si原子取代的纳米线不仅具有更高的反应活性和理论储锂容量,其独特的原子结构还更有利于缓解锂化过程中所产生的应力,从而保持完整的结构,实现高容量和超长循环寿命。该研究成果日前发表在《Advanced Energy Materials》上(Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702805;影响因子16.72),课题组博生研究生贺婷是第一作者。

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      课题组随后将研究体系拓展到复合电极材料,提出了多组分材料的界面应力缓解策略。比如,课题组设计了室温下二维Ti3C2 MXene材料的原位转化反应,成功地一步合成了具有三明治结构的二元Na0.23TiO2纳米带/Ti3C2纳米片复合物;该三明治结构复合物作为锂离子/钠离子电池的负极材料时,表现出优异的循环稳定性和倍率性能。通过机理分析发现,一维Na0.23TiO2纳米带原位生长在二维Ti3C2纳米片上的三明治复合结构,不仅可以促进载流子在复合材料界面的传输,还能有效缓解活性材料在循环过程中的体积膨胀和结构应力,从而实现了优异的电化学性能。该研究工作发表在《Nano Energy》上(Nano Energy, 2018, 46, 20-28;影响因子12.34)。课题组硕士研究生黄继梅是第一作者。
      课题组还通过表面活性剂模板法合成了具有有序孔道的TiO2@C复合膜,并进一步利用原位碳热还原反应在TiO2与C界面引入导电良好但锂电惰性的TiC纳米点,制备了三元TiO2/TiC@C有序介孔复合膜材料。该复合膜可弯折、可转移、可裁剪、可放大,具有优异的可加工性。该三元复合膜用作锂电池负极材料时,较二元TiO2@C复合膜展现出更出色的长循环稳定性和高功率特性。同步辐射、电化学动力学、力学模拟等多种研究手段表明,TiC的存在不仅能促进复合膜材料的界面电荷传输,还大大缓解了材料界面的环向拉应力和径向拉应力,赋予了电极高结构稳定性。该研究工作日前已经在Cell Press旗下的《iScience》上(DOI:https://doi.org/10.1016/j.isci.2018.04.009),课题组博士研究生祖连海是共同第一作者。
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       此外,课题组还设计了一步凝胶化协同反应制备MoS2纳米片嵌于石墨烯骨架中的复合气凝胶,因石墨烯骨架的应力缓冲和保护作用,该MoS2复合气凝胶在锂离子电池和超级电容器中均显示出优异储能效果(Nanoscale, 2017, 9, 10059-10066);还利用纳米生长技术,在Ti片电极上原位生长制备了CoS2纳米片阵列,通过系列表征和DFT模拟揭示了电极材料与电极界面形成的化学桥键对电极结构稳定性和电化学性能的重要影响(Nanoscale, 2018, 10, 4068-4076)。
      上述研究工作获得了国家和上海自然科学基金、上海东方学者计划、同济大学青年百人计划等项目的支持。部分研究工作还得到了复旦大学赵东元教授、王松有教授,中国科学技术大学余彦教授,同济大学化学科学与工程学院张弛教授,香港科技大学杨世和教授等科研团队的合作与支持。

信息来源:化学科学与工程学院

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